Curso de iluminación

Magnitudes luminosas fundamentales

Flujo luminoso (Lumen)

Teniendo en cuenta que la luz es la radiación visible apreciada de acuerdo con la sensibilidad del ojo humano, el flujo luminoso se define como la cantidad de energía luminosa radiada por una fuente en cada segundo. Es decir, el flujo luminoso es la potencia de la energía luminosa radiada por la fuente.

La unidad del flujo luminoso es el lumen, el cual corresponde a una potencia de 1/680 vatios emitidos a la longitud de onda de 555 nanómetros, que es donde el ojo humano presenta la máxima sensibilidad.

Una aplicación importante de estos conceptos consiste en la expresión del rendimiento luminoso de las lámparas (su eficiencia energética). De toda la potencia eléctrica consumida por una lámpara tan sólo una fracción se convierte en flujo luminoso. El rendimiento luminoso de una lámpara es la relación entre el flujo luminoso emitido por la lámpara y la potencia eléctrica en vatios consumida por la misma:

Así, por ejemplo, las lámparas incandescentes típicas tienen un rendimiento de 10 a 15 lúmenes/vatio, mientras que las lámparas fluorescentes suelen alcanzar los 80 lúmenes/vatio.

 Intensidad luminosa (Candela)

La intensidad luminosa de una fuente de luz sólo se puede expresar referida a una determinada dirección y contenida en un ángulo sólido. (Figura 2).

 El ángulo sólido podemos imaginarlo como el espacio contenido dentro de un cono (este sería el caso de un haz de luz). El ángulo sólido se expresa en estereorradianes. Si imaginamos una esfera de un metro de radio y desde su centro trazamos un cono que delimite en su superficie un casquete esférico de un metro cuadrado, el valor del ángulo sólido determinado por dicho cono es igual a un estereorradián.

La intensidad luminosa de una fuente de luz en una determinada dirección es igual a la relación entre el flujo luminoso contenido en un ángulo sólido cualquiera, cuyo eje coincida con la dirección considerada, y el valor de dicho ángulo sólido expresado en estereorradianes.

 Nivel de iluminación (Lux)

Se denomina nivel de iluminación o iluminancia al flujo luminoso incidente por unidad de superficie. Su unidad es el lux.

Un lux se define como el nivel de iluminación de una superficie de un metro cuadrado cuando sobre ella incide, uniformemente repartido, un flujo luminoso de un lumen.

El nivel de iluminación es la magnitud utilizada con mayor frecuencia para evaluar la cantidad de luz existente en los puestos de trabajo. Para ello se toman como referencia las tablas de niveles de iluminación existentes para distintos tipos de actividades.

 

El nivel de iluminación es la magnitud utilizada con mayor frecuencia para evaluar la cantidad de luz existente en los puestos de trabajo. Para ello se toman como referencia las tablas de niveles de iluminación existentes para distintos tipos de actividades.

Luminancia (Candelas/m2)

La luminancia, o brillo fotométrico, es la magnitud que sirve para expresar el brillo de las fuentes de luz o de los objetos iluminados y es la que determina la sensación visual producida por dichos objetos. Esta magnitud es de gran importancia para evaluar el grado de deslumbramiento, como veremos más adelante.

Se define como la intensidad luminosa por unidad de superficie aparente de una fuente de luz primaria (que produce la luz) o secundaria (que refleja la luz).

La luminancia se puede expresar en Candelas/m2 o en Candelas/cm2 (una Candela/cm2 = 104Candelas/m2).

la luminancia debe considerarse como la intensidad luminosa por unidad de superficie aparente. La superficie aparente es la proyección de la superficie real sobre un plano perpendicular a la dirección de la mirada. Así pues, el valor de la superficie aparente será igual al de la superficie real multiplicado por el coseno del ángulo que forma la línea de visión con la perpendicular a dicha superficie real.

 Las propiedades de las fuentes de luz y su efecto sobre los distintos objetos, se describen a través de diferentes magnitudes básicas, que son las siguientes:
Flujo Luminoso
El flujo luminoso es la cantidad de flujo energético que afecta a la sensibilidad del ojo humano emitido por unidad de tiempo, es decir, expresa la potencia de una determinada fuente de luz.
Eficacia luminosa
Es la ratio de flujo de luz emitido, en lúmenes, y la potencia eléctrica consumida en su obtención (Lm/W). Indica la eficiencia con la que la electricidad se transforma en luz.
Intensidad Lumínica
La Intensidad Lumínica indica el flujo emitido por una fuente de luz en una determinada dirección del espacio. La dirección se indica mediante el ángulo sólido (ϖ) o ángulo estéreo que corresponde a un cono cuyo eje es la dirección en que se considera la intensidad, medido en estereorradianes
Iluminancia
La Iluminancia, Nivel de Iluminación o Iluminación indica el flujo luminoso que recibe una superficie por unidad de área.
Se define la Iluminancia Mantenida (Em) como el valor por debajo del cual no se permite que caiga la iluminancia media en una superficie determinada.
Luminancia
La luminancia representa la relación entre la intensidad luminosa y la superficie aparente vista por el ojo en una determinada dirección, es equivalente al brillo de una superficie. Esta magnitud se aplica cuando miramos a una fuente de luz (luminancia directa) o a luz reflejada por una superficie (luminancia reflejada).
Para poder distinguir los objetos es necesario que exista una diferencia de luminancias entre ellos y su alrededor. Esto es lo que se define como Contraste.
Deslumbramiento
El deslumbramiento es la sensación producida por áreas brillantesintensas dentro del campo de visión y puede ser experimentado como deslumbramiento molesto o perturbador. El deslumbramiento causado por la reflexión en superficies es conocido como deslumbramiento reflejado o reflexiones de velo.
Propiedades de color
Percibimos la sensación de color en los objetos debido a la luz que, directamente desde una fuente, o por reflexión en los objetos, incide en nuestra retina. Dentro del espectro electromagnético de luz visible existen subzonas que se distinguen precisamente por la sensación visual de color que ocasionan en el ojo humano (verde, amarillo, naranja…).
El color de los objetos está influenciado en gran medida por las propiedades cromáticas de las fuentes de luz utilizadas.
Reproducción cromática
Se entiende por Reproducción Cromática de una fuente de luz la capacidad de dicha luz para reproducir el color de los objetos que ilumina. correspondiendo valores más altos de índice a mayor calidad de reproducción cromática.
La calidad de reproducción cromática de una fuente de luz viene expresada por el índice de reproducción cromática Ra, que se presenta como el porcentaje aproximado de colores que se ven realmente en la luz emitida en lámparas en comparación con la luz natural.
Ra< 60 Pobre
60
80
90

   Propiedades Cromáticas
Las lámparas se pueden clasificar en función de su Índice de Reproducción Cromática (Ra) de la siguiente manera:
Clase   Ra    Consideración
1  A ≥ 90           Excelente
1 B   80 ÷ 89    Muy bueno
2 A    70 ÷ 79    Bueno
2 B   60 ÷ 69    Aceptable
    3   40 ÷ 59    Regular
    4         < 20    Insuficiente

Factor de utilización de una sala
Expresa cuanta luz de las superficies circundantes se refleja en el área de trabajo. Esta influenciada  por los siguientes parámetros:
– El grado de reflexión de las superficies circundantes (techo, paredes, suelo…). Cuanto más oscuras sean las superficies de color, menos cantidad de luz reflejada.
– Las dimensiones de la habitación (índice de ocupación). El índice de ocupación de un cubo es claramente mayor que para un rectángulo de lados alargados.

La luz, al igual que las ondas de radio, los rayos X o los gamma es una forma de energía. Si la energía se mide en joules (J) en el Sistema Internacional, para qué necesitamos nuevas unidades. La razón es más simple de lo que parece. No toda la luz emitida por una fuente llega al ojo y produce sensación luminosa, ni toda la energía que consume, por ejemplo, una bombilla se convierte en luz. Todo esto se ha de evaluar de alguna manera y para ello definiremos nuevas magnitudes:

-          El flujo luminoso

-          La intensidad luminosa

-          La iluminancia

-          La luminancia

-          El rendimiento o eficiencia luminosa

-          La cantidad de luz.

Flujo luminoso lm (LUMENS)

Para hacernos una primera idea consideraremos dos bombillas, una de 25 W y otra de 60 W. Está claro que la de 60 W dará una luz más intensa. Pues bien, esta es la idea: ¿cuál luce más? o dicho de otra forma ¿cuánto luce cada bombilla?

Cuando hablamos de 25 W o 60 W nos referimos sólo a la potencia consumida por la bombilla de la cual solo una parte se convierte en luz visible, es el llamado flujo luminoso. Podríamos medirlo en watts (W), pero parece más sencillo definir una nueva unidad, el lumen, que tome como referencia la radiación visible. Empíricamente se demuestra que a una radiación de 555 nm de 1 W de potencia emitida por un cuerpo negro le corresponden 683 lumen.

Se define el flujo luminoso como la potencia (W) emitida en forma de radiación luminosa a la que el ojo humano es sensible. Su símbolo es   y su unidad es el lumen (lm). A la relación entre watts y lúmenes se le llama equivalente luminoso de la energía y equivale a:

1 watt-luz a 555 nm = 683 lm

Flujo luminoso	Símbolo:
	Unidad:  lumen (lm)

Intensidad luminosa cd (CANDELA)

El flujo luminoso nos da una idea de la cantidad de luz que emite una fuente de luz, por ejemplo una bombilla, en todas las direcciones del espacio. Por contra, si pensamos en un proyector es fácil ver que sólo ilumina en una dirección. Parece claro que necesitamos conocer cómo se distribuye el flujo en cada dirección del espacio y para eso definimos la intensidad luminosa.

Diferencia entre flujo e intensidad luminosa.

Se conoce como intensidad luminosa al flujo luminoso emitido por unidad de ángulo sólido en una dirección concreta. Su símbolo es I y su unidad la candela (cd).

Intensidad luminosa	Símbolo: I
	Unidad: candela (cd)

 

Iluminancia lx (LUX)

Si  se pone la mano delante de la linterna podemos ver esta fuertemente iluminada por un círculo pequeño y si se ilumina una pared lejana el circulo es grande y la luz débil. Esta sencilla experiencia recoge muy bien el concepto de iluminancia.

Concepto de iluminancia.

 

Se define iluminancia como el flujo luminoso recibido por una superficie. Su símbolo es E y su unidad el lux (lx) que es un  lm/m2.

Iluminancia	Símbolo: E
	Unidad: lux (lx)

En el ejemplo de la linterna ya pudimos ver que la iluminancia depende de la distancia del foco al objeto iluminado. Es algo similar a lo que ocurre cuando oímos alejarse a un coche; al principio se oye alto y claro, pero después va disminuyendo hasta perderse. Lo que ocurre con la iluminancia se conoce por la ley inversa de los cuadrados  que relaciona la intensidad luminosa (I) y la distancia a la fuente. Esta ley solo es válida si la dirección del rayo de luz incidente es perpendicular a la superficie.

Ley inversa de los cuadrados

¿Qué ocurre si el rayo no es perpendicular? En este caso hay que descomponer la iluminancia recibida en una componente horizontal y en otra vertical a la superficie.

 

A la componente horizontal de la iluminancia (EH) se le conoce como la ley del coseno. Es fácil ver que si x  = 0 nos queda la ley inversa de los cuadrados. Si expresamos EH y EV en función de la distancia del foco a la superficie (h) nos queda:

En general, si un punto está iluminado por más de una lámpara su iluminancia total es la suma de las iluminancias recibidas:

Luminancia

Hasta ahora hemos hablado de magnitudes que informan sobre propiedades de las fuentes de luz (flujo luminoso o intensidad luminosa) o sobre la luz que llega a una superficie (iluminancia). Pero no hemos dicho nada de la luz que llega al ojo que a fin de cuentas es la que vemos. De esto trata la luminancia. Tanto en el caso que veamos un foco luminoso como en el que veamos luz reflejada procedente de un cuerpo la definición es la misma.

Se llama luminancia a la relación entre la intensidad luminosa  y la superficie aparente vista por el ojo en una dirección determinada. Su símbolo es L y su unidad es la cd/m2.

Luminancia	Símbolo: L
	Unidad:  cd/m2

Es importante destacar que sólo vemos luminancias, no iluminancias.

Rendimiento luminoso o eficiencia luminosa

Ya mencionamos al hablar del flujo luminoso que no toda la energía eléctrica consumida por una lámpara (bombilla, fluorescente, etc.) se transformaba en luz visible. Parte se pierde por calor, parte en forma de radiación no visible (infrarrojo o ultravioleta), etc.

 

Para hacernos una idea de la porción de energía útil definimos el rendimiento luminoso como el cociente entre el flujo luminoso producido y la potencia eléctrica consumida, que viene con las características de las lámparas (25 W, 60 W...). Mientras mayor sea mejor será la lámpara y menos gastará.  La unidad es el lumen por watt (lm/W).

Rendimiento luminoso	Símbolo:
	Unidad:  lm / W

Cantidad de luz

Esta magnitud sólo tiene importancia para conocer el flujo luminoso que es capaz de dar un flash fotográfico o para comparar diferentes lámparas según la luz que emiten durante un cierto periodo de tiempo. Su símbolo es Q y su unidad es el lumen por segundo (lm·s).

Cantidad de luz   Q = ·t	Símbolo: Q
	Unidad:  lm·s

 

GRAFICOS Y DIAGRAMAS

Cuando se habla en fotometría de magnitudes y unidades de media se definen una serie de términos y leyes que describen el comportamiento de la luz y sirven como herramientas de cálculo. Pero no hemos de olvidar que las hipótesis utilizadas para definirlos son muy restrictivas (fuente puntual, distribución del flujo esférica y homogénea, etc.). Aunque esto no invalida los resultados y conclusiones obtenidas, nos obliga a buscar nuevas herramientas de trabajo, que describan mejor la realidad, como son las tablas, gráficos o programas informáticos. De todos los inconvenientes planteados, el más grave se encuentra en la forma de la distribución del flujo luminoso que depende de las características de las lámparas y luminarias empleadas.

Influencia de la luminaria en la forma del haz de luz.

A menudo no le daremos mucha importancia a este tema, como pasa en la iluminación de interiores, pero será fundamental si queremos optimizar la instalación o en temas como la iluminación de calles, decorativa, de industrias o de instalaciones deportivas.

A continuación veremos los gráficos más habituales en luminotecnia:

• Diagrama polar o curva de distribución luminosa.
• Diagramas isocandela.
  • Alumbrado por proyección.
  • Alumbrado público. Proyección azimutal de Lambert.
• Curvas isolux.

Diagrama polar o curvas de distribución luminosa

En estos gráficos la intensidad luminosa se representa mediante un sistema de tres coordenadas (I,C,Y). La primera de ellas I representa el valor numérico de la intensidad luminosa en candelas e indica la longitud del vector mientras las otras señalan la dirección. El ángulo C nos dice en qué plano vertical estamos y Y mide la inclinación respecto al eje vertical de la luminaria. En este último, 0º señala la vertical hacia abajo, 90º la horizontal y 180º la vertical hacia arriba. Los valores de C utilizados en las gráficas  no se suelen indicar salvo para el alumbrado público. En este caso, los ángulos entre 0º y 180º quedan en el lado de la calzada y los comprendidos entre 180º y 360º en la acera; 90º y 270º son perpendiculares al bordillo y caen respectivamente en la calzada y en la acera.

 

Con un sistema de tres coordenadas es fácil pensar que más que una representación plana tendríamos una tridimensional. De hecho, esto es así y si representamos en el espacio todos los vectores de la intensidad luminosa en sus respectivas direcciones y uniéramos después sus extremos, obtendríamos un cuerpo llamado sólido fotométrico. Pero como trabajar en tres dimensiones es muy incómodo, se corta el sólido con planos verticales para diferentes valores de C (suelen ser uno, dos, tres o más dependiendo de las simetrías de la figura) y se reduce a la representación plana de las curvas más características.

 

 

En la curva de distribución luminosa, los radios representan el ángulo Y y  las  circunferencias concéntricas el valor de la intensidad en candelas. De todos los planos verticales posibles identificados por el ángulo C, solo se suelen representar los planos verticales correspondientes a los planos de simetría y los transversales a estos (C = 0º y C = 90º) y aquel en que la lámpara tiene su máximo de intensidad. Para evitar tener que hacer un gráfico para cada lámpara cuando solo varía la potencia de esta, los gráficos se normalizan para una lámpara de referencia de 1000 lm. Para conocer los valores reales de las intensidades bastará con multiplicar el flujo luminoso real de la lámpara por la lectura en el gráfico y dividirlo por 1000 lm.

Matriz de intensidades luminosas

También es posible encontrar estos datos en unas tablas llamadas matriz de intensidades luminosas donde para cada pareja de valores  de C y Y obtenemos un valor de I normalizado para una lámpara de flujo de 1000 lm.

Diagramas isocandela

A pesar de que las curvas de distribución luminosa son herramientas muy útiles y prácticas, presentan el gran inconveniente de que sólo nos dan información de lo que ocurre en unos pocos planos meridionales (para algunos valores de C) y no sabemos a ciencia cierta qué pasa en el resto. Para evitar estos inconvenientes y conjugar una representación plana con información sobre la intensidad en cualquier dirección se definen las curvas isocandela.

En los diagramas isocandelas se representan en un plano, mediante curvas de nivel, los puntos de igual valor de la intensidad luminosa. Cada punto indica una dirección del espacio definida por dos coordenadas angulares. Según cómo se escojan estos ángulos, distinguiremos dos casos:

• Proyectores para alumbrado por proyección.
• Luminarias para alumbrado público. Proyección azimutal de Lambert.

En los proyectores se utiliza un sistema de coordenadas rectangulares con ángulos en lugar de las típicas x e y. Para situar una dirección se utiliza  un sistema de meridianos y paralelos similar al que se usa con la Tierra. El paralelo 0º se hace coincidir con el plano horizontal que contiene la dirección del haz de luz  y el meridiano 0º con el plano perpendicular a este. Cualquier dirección, queda pues, definida por sus dos coordenadas angulares. Conocidas estas, se sitúan los puntos sobre el gráfico y se unen aquellos con igual valor de intensidad luminosa formando las líneas isocandelas.

En las luminarias para alumbrado público, para definir una dirección, se utilizan los ángulos C y Y usados en los diagramas polares. Se supone la luminaria situada dentro de una esfera y sobre ella se dibujan las líneas isocandelas. Los puntos de las curvas se obtienen por intersección de los vectores de intensidad luminosa con la superficie de esta. Para la representación plana de la superficie se recurre a la proyección azimutal de Lambert.

En estos gráficos, los meridianos representan el ángulo C, los paralelos Y  y las intensidades, líneas rojas, se reflejan en tanto por ciento de la intensidad máxima. Como en este tipo de proyecciones las superficies son proporcionales a las originales, el flujo luminoso se calcula como el producto del área en el diagrama (en estereorradianes) por la intensidad luminosa en este área.

Además de intensidades y flujos, este diagrama informa sobre el alcance y la dispersión de la luminaria. El alcance da una idea de la distancia longitudinal máxima que alcanza el haz de luz en la calzada mientras que la dispersión se refiere a la distancia transversal.

Curvas isolux

Las curvas vistas en los apartados anteriores (diagramas polares e isocandelas) se obtienen a partir de características de la fuente luminosa, flujo o intensidad luminosa, y dan información sobre la forma y magnitud de la emisión luminosa de esta. Por contra, las curvas isolux hacen referencia a las iluminancias, flujo luminoso recibido por una superficie, datos que se obtienen experimentalmente o por calculo a partir de la matriz de intensidades usando la fórmula:

Estos gráficos son muy útiles porque dan información sobre la cantidad de luz recibida en cada punto de la superficie de trabajo y son utilizadas especialmente en el alumbrado público donde de un vistazo nos podemos hacer una idea de como iluminan las farolas la calle.

Lo más habitual es expresar las curvas isolux en valores absolutos definidas para una lámpara de 1000 lm y una altura de montaje de 1 m.

Los valores reales se obtienen a partir de las curvas usando la expresión:

También puede expresarse en valores relativos a la iluminancia máxima (100%) para cada altura de montaje. Los valores reales de la iluminancia se calculan entonces como:

Ereal = Ecurva · E máx

con

Siendo a un parámetro suministrado con las gráficas.